JPH01501767A - ガス／ガス熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガス／ガス熱交換器 発明の目的 本発明は、二種のガス間で熱交換を行うことのできる、さらに対象とする二種ガ スの混合を回避することのできる熱交換器に関するものである。

とくにガラス製造業、その他、大量のエネルギーを消費する工業操作で使用する 燃料コストが増大しつづける結果、熱回収とりわけ通常大気に放出している残ガ ス・ヒユームの保有する熱回収の研究、開発が活発となっている。

ところが特殊利用分野の場合、従来の熱交換器は、ガスの腐食作用による装置類 の腐食を考えるとこれを、使用するわけにいかない。さらに今までの熱交換器の 寸法は、ガス流量が高くなるほど大きくなる傾向がある。なおよく見受けるごと く、最適操作温度および流量の点から、装置の制御はきわめて厄介で困難な状況 にある。

」見五五匁厘１ 本発明の一部は、公知の原理のいくつかに基づいている。

これら原理のうちとくに挙げる要素は下記の通りである。

流動層内のガスと固体間または流動層と交換面間の熱伝達係数は流動層の顕著な 特性の一つであり、この特性により流この特徴は一つの流動層から他の流動層へ 熱を伝達するのに利用され、このために、一連の交換チューブを用いて熱媒を循 環させるか、または熱パイプを使用する。この原理は、たとえばＵＳ−Ａ−４， ３３３，５２４号特！！’Ｆ　（ＥＬＫＩＮＳ　ｅｔ　ａｌ、　Ｘルキンスその 他）に記載されている。

物理学の基本原理によれば、一定重量の固体については流動層での圧力損失は、 この層をまだ流動化させていない場合、およびすでに一部空気式輸送に切りかわ っている場合にくらべ流動化条件では一定で最大を示すとされる。

コｆ）特徴は、ＵＳ−Ａ−４，４４１，４３５（１本）特許中でも発表されてい る。

流動層での燃焼の場合、すでに提案されているごとく、空気と再循環ガスとを混 合することにより（ＧＢ−Ａ−２，０３０，６８９・・・ｔｎｅｒｏｙ　ＥＱｔ ｌｉＤｌｅｎｔ　Ｃｏ　）燃焼室内に導入した酸素量から流動化ガス流を切りは なす方法がある。流動層は液体としての役割を果すことから、この流動層を一容 器から他の容器に溢流させたり、また多数の層を直列に、また任意に最後の層を 最初の層に連結して循環系を作るごとく接続することもできる。

この際の駆動力は継続層のばく気（以後、密度と称する）との差に相当する。

この原理を工業的に利用することは、１９４２年以降実施されて−いた。（石油 の接触クランキング）この利用については、たとえば粒状化の場合のＵＳ−Ａ− ３，２４１，５２０号（Ｗｕｒｓｔｅｒ）及び流動層燃焼の場合のＦＲ−Ａ−２ ，２０３，９６４号（スプロケットプロパティ社）の実施例を挙げることができ る。

さらに小規模利用目的としては、一層簡単で小型構造のものが提案されている。

すなわち高温分解用としてのＬＵ−Ａ−８４，２５１（Ｃｏｃｋｅｒｉｌｌ−３ ａｍｂｒｅ）およびＵＳ−Ａ−４，４１４，００１（国井）。

さらに接触クランキングとしてＧＢ−Ａ−１，５６２，５７１（）ｌｅｌｉｋ− Ａｋｈｎａｚａｒｏｖその他）が挙げられる。

流動層を相互連結させたガス／ガス熱交換器は、すでに特許されているが、米国 特許第４，２５７．．４７８号（５ｔｅｎｄａｈｌ　）は、このものの構想につ いて説明している。この場合、反応系の融通性を大きく阻害する、隔壁間に循環 するガス流と固体流との完全相互結合欠陥が認められる。これに加え、ガスの流 動床を通じての分布はきわめて悪く停滞域を形成するに至る。

独特許ＧＢ−Ａ−２，０７４，３０３号（Ｅｘｘｏｎ）は同じく、この考方を採 用している。その構造特徴は複雑なガス分配装置設計と、区画空間での物質流量 を、近似的にコントロールすることにある。

本玉」Ｂ囚［９ 本発明の目的の一つは、ガス／ガス方式の熱交換器を提供することにあり、この ものを二種のガス間、（そのうちの一つは少くとも腐蝕性のものとした場合）で の多種の熱交換に利用しようとするものである。

また別の目的としては、熱交換を行う二種ガスの混合を低減させる、ガス間同志 の熱交換器の提供にある。

さらに別の目的として、最適条件下に作業温度、流量を容易に調整できる熱交換 器を提供することである。

また別目的として、上記タイプの熱交換器であってこのものの構造がきわめて単 純で堅牢な特徴を備えることである。

なお、これに付加するｒｉ徴として、それぞれ相互に連結した流動層原理を採用 していることである。

また別の本発明の狙いとする特徴は、単一で単純な、したがって経済的に有利な 装置を使った熱交換と、少なくとも一つのガスの除染との組み合わせ操作を行わ すことにある。

の、素の１明 本発明によれば、相互連結流動層原理を利用するガス／ガス方式熱交換器の特徴 は、このものが垂直型円筒式または多角形筒状容器構成であり、このものを垂直 方向および半径手向に、少なくとも相互に隣接して連結する四区画至に仕切り、 この中受なくとも二隣接区画苗をいわゆる冷却部とし、これに少なくとも一組の 加熱ガス出口を設けること、および各区画室には、熱交換に関与する熱ガスまた は冷ガスの何れか一方に固形物質を浮遊させた流動層を備えていること、および 、上記流動化固形物の循環方向内の高速流動層にさらに低速流動層を位置させ、 一方、高速流動層はこれにつづく低速流動層中の上部に溢流することができ、低 速流動層はその底部で、これにつづく高速流動層に連続していること、および、 この熱交換器にさらに少なくとも一つの分岐回路を設け、この中で流量を調節す ることができ、また、流動層の一つから取り出すガスを少なくとも別の流動層の 一つにリサイクルさせ得ることにある。

事実よく知られるごとく、流動化速度と流動層の膨張速度とは比例し、また、こ れに加え、流動層内の圧力損失と装置断面当りの固形重母とはバランスがとれて いる。その結果、連結流動化容器が二分岐回路中のことなるガス速度により形成 されるとすると、平衡高さもことなるはずである。系の上部で溢流がおこると、 二つの高さレベルが相互にバランスし、固形の循環を左右することになる。

この発明の第一の好適態様では、区画室はすべて同一断面を有している。その− 変型として低速流動層区画室の低断面のものも考案されている。

発明の装置として好適なものは、二組の分岐回路を備えたものであり、その一つ は流出加熱ガスの一部を、加熱高速流動層区画室底部に、または加熱低速流動層 区画空中に再循環させ、他の一つの回路は、流出冷ガスの一部を、冷高速流動層 区画至の底部中、または、低速流動層区画空中に再循環させる。

なお、一つの分岐回路を設けて導入加熱または冷ガスの一部を排出口へ送り出す こともできる。

ここで容易に理解できるのは、本発明による熱交換器がとくに簡単に据え付は得 る小型構造を有していることである。

この場合、反応装置および仕切室の外壁のごとき、部材については、耐食材が利 用できれば十分である。この構成体の構造はきわめて単純なものであり、したが って経済的でもある。

発明による熱交換器の小型Ｉｇ造であることから、熱ガスと冷ガス間の熱交換が 促進され、この場合の熱交換は、一方では、加熱部と冷却部とを仕切る隔室を通 して行われ、他方、環は一方から他方へ、いわゆる高熱部から低熱部へ流動して 行われる。

適当した固形物質は、たとえば砂および／または発泡性粘土から選定し、その粒 径は装置内で得られる速度に適した流動状態により合理的に決められる。

この場合容易に分かるごとく、ガスの加熱部は、仕切部で低熱部と分離され、こ の仕切部は固形物質循環用として、底部に開口部を有する構造を持つだけである 。ざらに、ガスの分離を促進させるため、またこの開口部でガスが混合しないい ため、流動化ガスの導入をこの開口部以外の場所で行うこともできる。

なお、一層複雑な浸漬型連絡開口部を使用することもでき、この開口部では、固 形物の流れは、僅少な追加ガス流（上記二主要ガスの一方側または場合により第 三のガスで構成）で制御することができる。この結果、−固形物の流れと主ガス 流れの分離は改善される。上記追加ガスが第三ガスである場合、方が毒性を示す か、厄介な存在である場合、あるいは二種ガス混合物が爆発性を示したり毒性ま たは有害物質を発生する場合、この構造であればきわめて好都合である。

この特殊ＩＩ４造は、できれば移動固形物の、流量が′／１１続して制御できる ように決めるに越したことはない。

ここで注意すべきは、本発明による装置を′二種ガスの熱交換に利用する場合、 少くとも分岐回路の一つをガスの一部、再循環用に利用すれば、最適条件下で装 置の操作を十分制御するのにとくに効果的だということである。とくに、この種 の分岐回路であれば、この回路の通過流量を制御することにより、相当する流動 層中主体を占める温度条件も制御することができる。

本発明の変型として示す、流動ガス内に浮遊する固形物質は、たとえば除染を目 的とした固形物浮遊のガスと物理・化学的に相互反応を呈する材料の一部を少な くとも含有していることをあられしている。したがって、固形物質は、化学反応 物質、従来の適当な支持物質に担持させた触媒的に活性を示す物質、または物理 ・化学的吸収剤、とくに処理すべきガス中に含まれるエーロゾル、液滴、および 微粒子を固定できる粉状物構成とすることができる。

１１立皿星皇且ｌ この発明の実際利用の詳細は、添付の図面に示される特殊。

態様をよく検討すればわかるはずである。ここで、第１図は、本発明による熱交 換器の縦断面図の概略を第２図は、第１図のＡ−Ａ線切断方向から見た装置の平 面図を 第３図は、物質の熱交換とガスの循環を示す図を第４Ａ〜４Ｅ図は、適宜の方法 でとくに継続的に、微量の追加ガスにより固形物質の流量が調節できる浸漬型連 結オリフィスの特殊構造を、それぞれ示す。

好ましい、　の響 以下に発明の詳細な説明する。

区画室（１）における流動化速度が、区画室（２）で得られる速度より大なる場 合、流動層の平衡レベルは、上記（２）区画室のそれより大となるはずである。

両区雨空を分離する仕切（４）を低めて溢流させることができれば、再平衡レベ ルは相互にバランスして、矢印のごとき固体の循環方向が得られる。

この発明のとくに好適な態様を第１図および第２図で示す。

熱交換器は４区画室（１，２，３，４）で構成され、その中の２室（１，２）は 冷却部、他の２室（３，４）は加熱部となる。各部分の内側区画は、ことなる流 動化速度にさらされ、以下の循環方式が得られる。

固形粒子は、（１）の流動化速度が（２）の速度より大なるため溢流作用により 区画室（１）から（２）へ運ばれる。

次に（３）の流動化速度が（４）の速度より大なるため固形粒子は底部く５）を 経て区画室（２）がら（３）へ、さらに底部（６）を介し区画室（４）から（１ ）へ運ばれる。

熱ガスで加熱された冷ガスは、排出口（７）を経て、熱交換器を出て、（９）の 個所に導入され、固形物質を流動化させる。固形物質を浮遊させるため（１０） に導入された熱ガスは区画室（３）と（４）とを通過し、その熱エネルギーを冷 ガスに伝え、（８）の個所から熱交換器を去る。バルブ（１７）により調整可能 の分岐回路（１５）により、熱ガスの一部は再循環して、加熱区画室（３）また は（４）の一方側底部に入る。この場合区画室（３）に高速流動層を構成さすと 好都合である。以上の配設により系の温度状態を容易に調整することができる。

この循環には循環ファン（１８）を用いる。

冷ガスは配管（７）を経て、また熱流動ガスは配管（８）を経て排出され、相互 に分離することができる。

熱ガス、冷ガスの完全混合をさ番プるため、とくに好ましいい実施態様を利用し て、冷部（１）と（２）の底部（９）を流動化させ、かつ、連結オリフィス（５ ）と（６）上の（１１）の箇所に補助冷ガスを吹込むことができる。この場合、 装置の断面は、高さとともに大きくする要がある。

同じ手順は、加熱区画室についても適用され、この場合は、インジェクター（１ ２）を使用する。

ガス流と循環流とを完全に仕分けるためには、第４Ａ〜４Ｅ図に示すさらに複雑 な形状の連結オリフィスを利用する。この配設は、基本構成のものより機械的に 複雑ではあるが、熱部から冷部、またはその反対のガス移動は完全に防がれる。

実用化されているごとく、この発明による熱交換装置には、固形物質をホッパー 及びスクリューコンベアーを介し、熱部または冷部に導入する手段（１３）を設 けると便利である。この種の物質はそれ自体、いかなる手段、たとえば、バタフ ライバルブ、または補助的流動層を用いても導入し得ることは明らかである。

また、朋」開用として、随時化学反応終了後、底部から（図示せず）の供給も可 能である。この固形物質は熱緩衝手段として加熱部または冷却部中に移動させた り、再導入することもできる。

本発明による装置にはまた、サイクロン装置（図示せず）または高温ガス用の別 種フィルター装置をとりつけ、ガスを精製するとともに、搬送の微粒ダストの再 循環も可能である。

ガスディストリービューターとしては、単式流動層に広く採用されている方式、 たとえば穿孔プレート、ベル状プレート、穿孔チューブ等が挙げられる。この構 造形式は公知のもので十分信頼して採用できる。構造もきわめて簡単で、これが 大きな利点となっている。

さらに、とりつけ操作を楽にするため、流動層に対し、化学反応物質、つまり触 媒活性粒子を添加するか、または物理的吸収剤あるいは化学吸収剤を加えると一 層効果的である。

この操作により熱交換機能と、除染反応のごとき物理または化学反応機能結合が 可能となる。

実質的制御操作は第２図に示す要領で行われるが、一方、固形物質の流れは実質 的に規則正しく循環保証される。

制御装置により、種々の圧力損失を測定し電動バルブを配管（１１）上および／ またはり１２）上に適宜切り替えるごとく制御する。（第２図では回路（１２） 上に電動バルブを設定した態様だけを示している） 第２図によれば、加熱部、冷却部間を循環する固体の流れは（２０と２０°）で 示す示差圧センサーを少なくとも一組の浸漬オリフィス（５）中に局所とりつけ し、電動バルブ（２４）を用いて少なくとも高速区画室（３）の一つに供給され る流量を制御することができる。

第３図の実線は、ガスの循環を、破線は冷却部（３１）と加熱部（３２）間での 物質交換の流れを示す。ガスの主体循環方向は、単一の矢印で、またガスの分岐 回路と見られる流れは二重の矢印で示されている。同時に分岐回路中取りつけの 、異種制御弁（２４）も図示されている。

第４Ａ〜４Ｅ図は浸漬連結オリフィス（５′）の異種構造を示すが、とくに４Ｂ 、　４Ｃ１４Ｄおよび４Ｅのものは、Ｊ−、Ｌ−、Ｕ−６■−形状に相当し微量 の添加ガスにより搬送される固形物質の流量を調節することができる。（３５） の矢印は（３７）のディストリービューターの備わることを示す。

ここで分かることは、本発明による装置がきわめて小型である上に熱伝達がすぐ れていることである。すなわち熱伝達は、固形物質の循環および加熱、冷却部間 の分離壁を介して行われる。

つぎに、本発明を特定の一実施例に限定して説明することとする。

１蓋圀 本発明による熱交換器の実施例は、ガラス製造用炉残留ガスに含まれる熱量回収 を目的としたものである。この場合のガスは、１４００℃で炉から排出され、い わゆる蓄熱器を経て、４７２℃にこれが冷却され、煙突に至る。新鮮空気温度は ２０℃であるが、これが炉に導入される前には１０４５℃に余熱される。

発明による熱交換器を従来の蓄熱器の下流側に設けるとすると、１４００℃で炉 から出るガスは、上記蓄熱器中５３５℃となり、煙突に放出される前に上記熱交 換器中で３０２℃の温度となる。

２０℃の大気はここで上記熱交換器により２５１℃に加熱され、従来式蓄熱器中 で１１６１℃まで高められ、大きい熱回収効果が得られる。流動層は、一種のマ スとして作用し、ガス中のエーロゾル、液滴および微粒子は固定されるか捕集さ れる。

加熱ガス中に塩酸ガスが含まれている場合、また、たとえば廃棄物の焼却による 加熱ガスである場合、この発明による熱交換器中では、熱エネルギーの一部を回 収し、その他の物質中、固形物質である消石灰を利用し、このものにより大気に 放出される前に酸性ガスを化学的に中和させて上記ガスを処理することができる 。

なお、本発明は上記態様例に限定されることなく、鵠求の範囲で規定する領域に まで拡大利用できることは言うまでもない。この場合たとえば、溢流口の分離仕 切部分に、垂直方向に対しそらせ板を傾斜とりつけ使用するごとき、種々の変形 も考え得る。この種配設により、流量をいちじるしく高めることもできる。

なお、装置を制御する目的で、技術の到達範囲内で従来の技術をすべて利用して もよい。適当な大きさの充填材料を添加することにより、とくに流動化ガス速度 を変える必要もなく、流動層を゛膨張″さすことも可能であり、この種充填材料 を補助的に物理または化学的反応体または吸収剤のキャリヤーとして利用し、区 画室中の捕集役としての利点を与えること、言いかえれば、残留流動層でよく見 受ける、別室から別室への循環をさけることもできるわけである。

この発明の特徴としては、形状が単純なこと、とくに、ガス分配装置が流動層用 としての従来式分配装置と全く同一方式のものでよいこと、また、上記分配装置 の断面が高さに対しても変動しないことが挙げられる。

ＦＩＧ、３ 国際調査報告 ｂ″″″″′−ＰＣＴ／ＢΣ８７１００００４？−’Ｊ）ｉＥＸ”：Ｏ’＝ｄ＝ 　ＩＮ：ＥＲＢ玖Ｔ１０ＭＰ、Ｌ　５ＥＡ−ＱＣＦ、Ｒ：？ＯＲＴ　ＯＮ！ｈ？ ＥＲＮＡＴｒＯＮＡＬ　ＡＪ？’Ｌ工ＣＡＴ：ＣＮ　Ｎｏ、　ＰＣ？／ミ＝　巳 ７／ＣＣＯＯ４（ＳＡ　１６５６３）ｅｐｏｒｔ

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．相互連結の流動層原理を利用し、相互に隣接して導通する少なくとも４区画 至（１，２，３，４）中に、垂直かつ半径方向に分割された垂直円筒状または多 角形管状の容器を備え、上記区画室の少なくとも二組の隣接する区画室がそれぞ れ冷却域（１，２）を構成して、これに少なくとも一組の冷ガス排出口（７）を 設け、かつ、少なくとも二組の隣接する区画室が、それぞれ一組の加熱域（３， ４）を構成して、これに少なくとも一組の熱ガス排出口（８）を設け、この場合 、各区画室には、熱交換に関与する熱ガスまたは冷ガスの何れかにより、懸垂さ れる固形物質含有の流動層を構成させ、かつ、この場合、流動化した固形物質の 循環方向に、高速流動層（１，３）につづいて低速流動層（２，４）を構成させ 、さらに順次これに高速流動層が続くことくさせ、一方、高速流動層（１，３） はこれにつづく低速流動層（２，４）中の上層に溢流することができ、かつ、低 速流動層（２，４）は、これにつづく高速流動層（１，３）と底層（５，６）に おいて連結し、さらに、流量を制限できる（１７）少なくとも一組の分岐回路を 設け、一組の流動層の流動化工程からの流出ガスを他の一組の流動層中に再循環 し得るごとくしたガス／ガス熱交換器。
2. ２．全区画室（１，２，３，４）が同一断面積を有する、請求の範囲第１項記載 の熱交換器。
3. ３．低速流動層区画室（２，４）が比較的小断面を有する、請求の範囲第１項記 載の熱交換器。
4. ４．二組の分岐回路を設け、その一回路で流出熱ガスの一部を一組の熱区画室の 底部に再循環させ、他の回路で流出する冷ガスの一部を一組の冷区画室の底部に 再循環させる、請求の範囲前項までの何れかに記載の熱交換器。
5. ５．導入加熱ガスまたは冷ガスの一部を排出口に搬送する少なくとも一組の分岐 回路を設ける請求の範囲前項までの何れかに記載の熱交換器。
6. ６．分岐回路により流出熱ガスを、加熱音速流動層区画室（３）に再循環させる 。請求の範囲前項までの何れかに記載の熱交換器。
7. ７．加熱ガスおよび冷ガス中浮遊懸垂の固形物質が砂または膨張粘土である、請 求の範囲前項までの何れかに記載の熱交換器。
8. ８．加熱ガスおよび冷ガス中に浮遊懸垂の固形物質が化学反応体、触媒活性物質 、または物理吸収剤もしくは化学吸収剤を含有する、請求の範囲前項までの何れ かに記載の熱交換器。
9. ９．流動化ガスの一部を、隣接区画室底部に連結設置の開口部（５，６）の高さ より上層位置に導入する、請求の範囲前項までの何れかに記載の熱交換器。
10. １０．頂部で溢流可能の分離間仕切部に垂直方向に対し傾斜して、偏向板を設置 する、請求の範囲前項までの何れかに記載の熱交換器。
11. １１．加熱部または冷却部の高速区画室、低速区画室間の圧力差により制御され る弁を、それぞれの加熱または冷却流動ガス射出バイブ（１１，１２）中に取り つける、請求の範囲前項までの何れかに記載の熱交換器。
12. １２．充填材料を用いて流動層を膨張させ、異種区画室内の流動速度を変える必 要性をなくし、付随して、とくに両ガス流の一方側との相容性が悪い場合、この 充填材料を化学反応体または化学吸収剤もしくは物理吸収剤のキャリヤーとして 利用する、請求の範囲前項までの何れかに記載の熱交換器。
13. １３．熱ガスを固形物質流動化を目的として前記請求範囲にもとづく装置の加熱 部に噴射導入し、冷ガスを一区画室から別の区画至に循環する固形物質を流動化 させる目的で、前項までの何れかに記載の装置の冷却部に噴射導入する、熟ガス の熱エネルギー回収方法。
14. １４．使用する固形物質が少なくとも、化学反応体、触媒活性物質または化学吸 収剤もしくは物理吸収剤の熱ガス処理を目的とした物質を含有する、請求の範囲 第１３項記載の方法。
15. １５．使用する浸漬型連結オリフィスが、搬送固形物質流を継続制御し得る形状 のオリフィス（５′）である、請求の範囲第１３項記載の方法。
16. １６．請求の範囲第１項〜１５項記載の方法の汚染防止への適用。